DE3644591A1

DE3644591A1 - Position (displacement) measuring device

Info

Publication number: DE3644591A1
Application number: DE19863644591
Authority: DE
Inventors: Johannes Wirtl
Original assignee: ENFO Grundlagen Forschungs AG
Current assignee: Hoerbiger Ventilwerke GmbH and Co KG
Priority date: 1985-12-30
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1987-07-02
Also published as: ATA377685A; AT394273B

Abstract

The position measuring device, which can be used to determine the actual position of a component which can be moved in a housing, has an adjusting slide block which is magnetically coupled in a contactless fashion to the component and interacts directly by means of a sliding contact with a resistance member arranged outside on the housing along the track of the adjusting slide block. The electrical resistance, which is determined in this way by the position of the component and can be tapped at the resistance member, can be used directly in an evaluation unit for the purpose of measuring position. The guide track for the adjusting slide block can be sealed in a simple way against the intrusion of dust and contaminants, and this ensures reliable functioning.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wegmeßeinrichtung für ein in einem Gehäuse bewegbares Bauelement, insbesonders für den Arbeits kolben eines Pneumatikzylinders, der in einem Zylinder von Druckmittel gesteuert axial bewegbar ist, welche ein mit dem Bauelement mitbewegtes Übertragungselement, ein mit dem Gehäuse in Bewegungsrichtung des Bauelements feststehendes Meßelement und eine Auswerteeinheit umfaßt.The invention relates to a position measuring device for one in one Movable component housing, especially for work piston of a pneumatic cylinder which is in a cylinder of Pressure medium controlled axially movable, which one with the Component moving element, one with the housing measuring element fixed in the direction of movement of the component and comprises an evaluation unit.

Derartige Einrichtungen dienen im wesentlichen dazu, die jeweilige aktuelle Stellung des auf verschiedenste Weise im Gehäuse relativ zu diesem bewegbaren Bauelements zu bestimmen, wobei der erhaltene Meßwert für die Position des Bauelements dann beispielsweise in einer elektronischen Steuereinheit für die Ablaufsteuerung eines bestimmten Vorgangs weiter verwendet werden kann.Such devices essentially serve the current position of the in various ways in To determine the housing relative to this movable component the measured value obtained for the position of the component then for example in an electronic control unit for continues to use the sequential control of a specific process can be.

Bei bekannten Einrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise mechanische Endschalter, Reed-Kontakte oder Hall-Sensoren für einzelne Positionen entlang der Bewegung des Bauelements oder aber aufwendige Inkremental-Weggeber, spindelgesteuerte Winkelgeber oder dergleichen für eine kon tinuierliche Wegmessung verwendet. Weiters ist auch die Ver wendung von Schiebewiderständen im genannten Zusammenhang be kannt, welche über konstruktiv sehr aufwendige mechanische Übertragungselemente mit dem bewegbaren Bauelement in Ver bindung stehen. Allen bekannten Ausführungen haftet der Nach teil einer relativ komplizierten und damit herstellungs-, mon tage- und wartungsaufwendigen Konstruktion an, wobei zusätzlich noch in den meisten Fällen eine erhöhte Staub- bzw. Schmutzge fährdung besteht, die die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Wegmeßeinrichtung stark beeinträchtigen kann.In known devices of the type mentioned are, for example, mechanical limit switches, reed contacts or Hall sensors for individual positions along the movement of the component or complex incremental displacement sensors, spindle-controlled angle encoder or the like for a con continuous displacement measurement used. Furthermore, the Ver use of sliding resistors in the context mentioned knows what about mechanically very complex Transmission elements with the movable component in Ver bond. The Nach is liable for all known designs part of a relatively complicated and therefore manufacturing, mon day and maintenance-intensive construction, with additional in most cases an increased dust or dirt level risk that affects the reliability and accuracy of the Position measuring device can severely impair.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrich tung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die genann ten Nachteile der bekannten derartigen Einrichtungen vermieden werden und daß insbesonders auf einfache Weise eine funktions sichere Wegmessung an Pneumatikzylindern oder ähnlichen Ein richtungen ermöglicht wird.The object of the present invention is a device tion of the type mentioned in such a way that the genann ten disadvantages of the known such devices avoided be and that in particular in a simple way a function Safe path measurement on pneumatic cylinders or similar inputs directions is made possible.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch er reicht, daß das Übertragungselement von einem berührungslos magnetisch mit dem Bauelement gekoppelten Stellschlitten ge bildet ist, wobei das Gehäuse zumindest entlang der Bahn des Stellschlittens aus einem nichtmagnetischen Werkstoff besteht, und daß das Meßelement einen entlang der Bahn des Stellschlit tens außen am Gehäuse angeordneten Widerstandskörper aufweist, der unmittelbar mit einem Schleifkontakt am Stellschlitten zusammenwirkt. Damit ist also jede seitliche Öffnung des Ge häuses bzw. eines pneumatischen Arbeitszylinders zur Koppelung der festzustellenden Bewegung mit dem dies ermöglichenden Meß element vermieden. Durch die unmittelbare Zusammenwirkung des Schleifkontakts am Stellschlitten mit dem am Gehäuse ange ordneten Widerstandskörper ist eine sehr einfache Übertra gung der zu bestimmenden Bewegung erreicht, die gegenüber störenden Umgebungseinflüssen weitgehend unempfindlich ist und eine Wegmessung mit auf alle Fälle für Pneumatikzylinder weitaus ausreichender Genauigkeit ermöglicht.This is done according to the present invention is enough that the transmission element from a non-contact magnetically coupled with the component adjusting slide ge is formed, the housing at least along the path of the Slide consists of a non-magnetic material, and that the measuring element along the path of the adjusting slide has at least the outside of the housing arranged resistance body, the one with a sliding contact on the slide cooperates. So that is every side opening of the Ge housing or a pneumatic working cylinder for coupling the movement to be determined with the measurement that enables this element avoided. Due to the direct interaction of the Sliding contact on the slide with the on the housing ordered resistor body is a very simple transfer reached the movement to be determined, the opposite disturbing environmental influences is largely insensitive and a distance measurement with definitely for pneumatic cylinders allows for sufficient accuracy.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Stellschlitten mit Rollen in einer außen am Gehäuse ange ordneten Führungsbahn geführt, was die Leichtgängigkeit des Übertragungselements verbessert und insgesamt zur Erhöhung der erzielbaren Genauigkeit beiträgt.According to a preferred embodiment of the invention the positioning slide with rollers in one on the outside of the housing ordered guideway, which the smoothness of the Transmission element improved and overall to increase the achievable accuracy contributes.

Im Bereich der Rollen können gemäß einer anderen Ausge staltung der Erfindung einzelne Magnete am Stellschlitten und/ oder am Bauelement angebracht sein, womit die magnetische Kop pelung unmittelbar im Bereich der Kontaktstellen zwischen Stell schlitten und Führungsbahn erfolgt, was die Führung verbessert und damit ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit beiträgt.In the area of the roles can according to another Ausge staltung of the invention individual magnets on the slide and / or be attached to the component, whereby the magnetic head pelung directly in the area of the contact points between Stell slide and guideway is done, which improves leadership and thus also contributes to increasing the accuracy.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er findung ist vorgesehen, daß die Führungsbahn als bis auf einen an der dem Gehäuse zugewandten Seite angeordneten Längsschlitz für die magnetische Koppelung geschlossenes Kastenprofil ausge bildet ist. Auf diese Weise ist der Bewegungsbereich des Stell schlittens weitgehend gegenüber äußeren Einflüssen abgeschirmt, was insbesonders die Anfälligkeit gegen Schmutz und auch gegen mechanische Störungen stark herabsetzt.According to a particularly preferred embodiment of the Er Invention is provided that the guideway except for one arranged on the side facing the housing longitudinal slot closed box profile for magnetic coupling forms is. In this way, the range of motion of the actuator largely shielded against external influences, which in particular the susceptibility to dirt and also to greatly reduces mechanical interference.

Der Widerstandskörper kann nach einer weiteren Ausge staltung der Erfindung bandförmig ausgebildet und an der dem Gehäuse ab gewandten Innenseite des Kastenprofils angeordnet sein. Dieser bandförmige Widerstandskörper kann für sich oder in Zusammen wirkung mit der Auswerteeinheit in Längsrichtung linearisiert sein. Durch die Anordnung im Inneren des Kastenprofils ist die Gefahr von mechanischen Beschädigungen bzw. von Verunreinigun gen in vorteilhafter Weise stark herabgesetzt.The resistance body can after another Ausge staltung of the invention formed in a band and from the housing facing inside of the box section. This band-shaped resistance bodies can be used alone or together linearized effect with the evaluation unit in the longitudinal direction be. Due to the arrangement inside the box profile, the Danger of mechanical damage or contamination gene greatly reduced in an advantageous manner.

Das Kastenprofil kann gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung an beiden Enden staubdicht verschlossen sein, was zusätzlich zu einer Erhöhung der Unempfindlichkeit der Wegmeß einrichtung gegen äußere Einflüsse führt. The box profile can be according to another training the invention be sealed dust-tight at both ends, what in addition to increasing the insensitivity of the displacement measurement device against external influences.

Nach einer besonders bevorzugten weiteren Ausbildung der Erfindung kann schließlich auch der Längsschlitz des Kasten profils mit einer nichtmagnetischen Abdeckung, z.B. einer Kunststoffolie, staubdicht abgedeckt sein, womit sich ein ins gesamt abgedichteter Bewegungsbereich für den Stellschlitten im Inneren des Kastenprofils und damit eine ausgezeichnete Unem pfindlichkeit der Wegmeßeinrichtung gegen Störeinflüsse von außen ergibt.After a particularly preferred further training of Finally, the longitudinal slot of the box can also be invented profiles with a non-magnetic cover, e.g. one Plastic film, be covered in a dustproof manner, with which an ins Total sealed movement range for the positioning slide in the Inside the box profile and thus an excellent Unem Sensitivity of the measuring device against interference from outside results.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch einen Pneumatikzylin der mit einer erfindungsgemäßen Wegmeßeinrichtung und Fig. 2 zeigt einen teilweisen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.The invention is explained below with reference to the embodiment shown in the drawing tion. Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a Pneumatikzylin with a displacement measuring device according to the invention and Fig. 2 shows a partial cross section along the line II-II in Fig. 1 on an enlarged scale.

Im Zylinder 1 eines pneumatischen Arbeitszylinders 2 ist ein Kolben 3 in Richtung der Achse 4 geführt und über hier nicht dargestellte Druckmittelanschlüsse mit Druckmedium beaufschlag bar und damit entlang der Achse 4 hin und her bewegbar. Der Kolben 3 weist einen mit einem Führungsring 5 an der Innen wand des Zylinders 1 abgestützten Zentralteil 6 auf, an welchem mittels Klemmscheiben 7, 8 Dichtungen 9 befestigt sind, die den Übertritt von Druckmedium aus den an die Klemmscheiben 7, 8 an grenzenden Zylinderräumen auf die jeweils gegenüberliegende Seite unterbinden. Der Zentralteil 6 ist dabei zusammen mit den Klemmscheiben 7, 8 und den Dichtungen 9 am vorderen Ende einer Kolbenstange 10 aufgesetzt und mittels einer Schraube 11 in der Klemmscheibe 7 gegen eine Schulter 12 an der Kolben stange 10 verspannt. In the cylinder 1 of a pneumatic working cylinder 2 , a piston 3 is guided in the direction of the axis 4 and pressurized with pressure medium via pressure medium connections (not shown here) and thus movable back and forth along the axis 4 . The piston 3 has a with a guide ring 5 on the inner wall of the cylinder 1 supported central part 6 , on which by means of clamping disks 7 , 8 seals 9 are attached, which the transfer of pressure medium from the clamping disks 7 , 8 to adjacent cylinder spaces prevent the opposite side. The central part 6 is placed together with the clamping discs 7 , 8 and the seals 9 at the front end of a piston rod 10 and by means of a screw 11 in the clamping disc 7 against a shoulder 12 on the piston rod 10 braced.

Um die jeweils aktuelle Position des Kolbens 3 bzw. der Kolbenstange 10 bestimmen und beispielsweise in einem Regel kreis zur Steuerung des Druckmediums für den Pneumatikzylinder verwenden zu können ist eine Wegmeßeinrichtung vorgesehen, die im wesentlichen ein mit dem Kolben 3 mitbewegtes Übertragungs element 12, ein mit dem Zylinder 1 in Bewegungsrichtung des Kolbens 3 feststehendes Meßelement 13 und eine hier nicht weiter dargestellte Auswerteeinheit umfaßt. Über elektrische Anschlußleitungen 14 ist diese Auswerteeinheit mit dem Meßelement 13 verbunden. Das Übertragungselement 12 ist von einem berührungslos magnetisch mit dem Kolben 3 gekoppelten Stellschlitten 15 gebildet, der mit Rollen 16 in einer außen am Zylinder 1 angeordneten Führungsbahn 17 geführt ist. Im Bereich der Rollen 16 sind einzelne Magnete 18 am Stellschlitten 15 sowie auch am Kolben 3 angebracht, die mit ihrer Polung so zusammenwirken, daß der Stellschlitten 15 trotz fehlender mechanischer Koppelung mit dem Kolben 3 bei dessen Bewegung entlang der Achse 4 mitgenommen wird. Der Zy linder 1 muß dazu zumindest entlang der Bahn des Stellschlittens 15 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen, damit die magnetische Koppelung vom Kolben 3 zum Stellschlitten 15 nicht unterbrochen wird.In order to determine the respective current position of the piston 3 or the piston rod 10 and, for example, to be able to use it in a control circuit for controlling the pressure medium for the pneumatic cylinder, a displacement measuring device is provided which essentially has a transmission element 12 which is moved with the piston 3 , one with the cylinder 1 in the direction of movement of the piston 3 fixed measuring element 13 and an evaluation unit not shown here. This evaluation unit is connected to the measuring element 13 via electrical connecting lines 14 . The transmission element 12 is formed by an actuation slide 15 , which is magnetically coupled to the piston 3 in a contactless manner and is guided by rollers 16 in a guide track 17 arranged on the outside of the cylinder 1 . In the area of the rollers 16 , individual magnets 18 are attached to the adjusting slide 15 and also to the piston 3 , which interact with their polarity in such a way that the adjusting slide 15 is taken along with the piston 3 when it moves along the axis 4, despite the lack of mechanical coupling. The Zy cylinder 1 must at least along the path of the carriage 15 consist of a non-magnetic material so that the magnetic coupling of the piston 3 to the carriage 15 is not interrupted.

Die Führungsbahn 17 ist als bis auf einen an der dem Zylinder 1 zugewandten Seite angeordneten Längsschlitz 19 für die am Stellschlitten 15 angebrachten Magnete 18 geschlossenes Kastenprofil 20 ausgeführt, wie dies auch aus Fig. 2 im Schnitt ersichtlich ist. Dieses Kastenprofil 20 ist an beiden Enden 21, 22 abgeschlossen und damit dicht gegen Eindringen von Staub bzw. sonstigen Verunreinigungen. Der Längsschlitz 19 des Kastenprofils könnte noch zusätzlich mit einer nichtmagnetischen Abdeckung, z.B. in Form einer Kunststoffolie oder dergleichen, staubdicht abgedeckt sein, was hier aber nicht dargestellt ist.The guideway 17 is designed as a closed slot profile 20 , apart from a longitudinal slot 19 arranged on the side facing the cylinder 1, for the magnets 18 attached to the adjusting slide 15 , as can also be seen in section in FIG. 2. This box profile 20 is closed at both ends 21 , 22 and thus tight against the ingress of dust or other contaminants. The longitudinal slot 19 of the box section could additionally be covered in a dustproof manner with a non-magnetic cover, for example in the form of a plastic film or the like, but this is not shown here.

Das Meßelement 13 weist einen entlang der Bahn des Stell schlittens 15 an der dem Zylinder 1 abgewandten Innenseite 23 des Kastenprofils 20 auf einem Isolierträger 24 angeordneten bandförmigen Widerstandskörper 25 auf, der unmittelbar mit einem Schleifkontakt 26 am Stellschlitten 15 zusammenwirkt. Dazu ist noch auf Fig. 2 zu verweisen, wo ersichtlich ist, daß der Wider standskörper 25 aus zwei parallel nebeneinander geführten Bahnen 27, 28 besteht, die separat jeweils mit einem der Anschlüsse 14 (Fig. 1) verbunden sind und über zwei miteinander in Verbindung stehende Bügel 29, 30 des Schleifkontakts 26 leitend verbunden werden. Damit ist der über die Anschlußleitungen 14 bestimmbare elektrische Widerstand des in der Zeichnung nach Fig. 1 oberhalb der Kontaktstelle zwischen Widerstandskörper 25 und Schleifkontakt 26 liegenden Teils des Widerstandskörpers 25 unmittelbar ein Maß für die axiale Position des Kolbens 3 im Zylinder 1.The measuring element 13 has a along the path of the adjusting carriage 15 on the inner side 23 of the box section 20 facing away from the cylinder 1 on an insulating support 24 arranged band-shaped resistance body 25 which interacts directly with a sliding contact 26 on the adjusting slide 15 . For this purpose is still to FIG. Refer 2 where it is seen that the reflection stand body 25 consists of two parallel side-guided stripes 27, is 28, which is separately connected to one of the terminals 14 (Fig. 1) are connected via two together in Connected brackets 29 , 30 of the sliding contact 26 are conductively connected. Thus, the determinable via the connecting lines 14 electrical resistance of the portion lying in the drawing of FIG. 1 above the contact point between the resistor body 25 and sliding contact 26 of the resistor body 25 directly a measure of the axial position of the piston 3 in the cylinder 1.

In Fig. 2 ist schließlich noch zu ersehen, daß die Rollen 16 am Stellschlitten 15 mittels einer Achse 31 angelenkt sind und daß im Bereich der beiden Bügel 29, 30 des Schleifkontakts 26 Ausnehmungen 32 im Stellschlitten 15 angebracht sind, die eine zufriedenstellende federnde Anlage der Enden der Bügel 29, 30 an den beiden Bahnen 27, 28 des Widerstandskörpers 25 erlauben. Weiters ist in Fig. 2 noch der Zylinderdeckel 33 mit Befesti gungsbohrungen bzw. Spannbolzen 34 zu ersehen.In Fig. 2 it can finally be seen that the rollers 16 are articulated on the adjusting slide 15 by means of an axis 31 and that in the area of the two brackets 29 , 30 of the sliding contact 26 recesses 32 are made in the adjusting slide 15 , which provide a satisfactory spring system Allow ends of the brackets 29 , 30 on the two tracks 27 , 28 of the resistance body 25 . Furthermore, the cylinder cover 33 with fastening holes or clamping bolts 34 can be seen in FIG. 2.

Die Befestigung der Führungsbahn 17 bzw. des Kastenprofils 20 am Zylinder 1 ist hier (Fig. 1) nur über die Mittellinien 35 von nicht weiter dargestellten Schrauben angedeutet. Der Schleif kontakt 26 ist mit einer Schraube 36 am Stellschlitten 15 be festigt. Die Befestigung der Magnete 18 am Stellschlitten 15 kann beispielsweise durch Klebung erfolgen; die Befestigung der Magnete 18 am Kolben 3 erfolgt hier über Magnetträger 37, die in Ausnehmungen 38 des Zentralteils 6 des Kolbens 3 einge setzt sind und auch aus anderem Werkstoff als der Zentral teil 6 selbst bestehen können - die eigentliche Befestigung der Magnete 18 kann auch hier wiederum durch Klebung an den Magnetträgern 37 erfolgen.The attachment of the guideway 17 or the box section 20 to the cylinder 1 is indicated here ( FIG. 1) only via the center lines 35 by screws, not shown. The sliding contact 26 is fastened to the adjusting slide 15 with a screw 36 . The magnets 18 can be attached to the adjusting slide 15 , for example by gluing; the magnets 18 are attached to the piston 3 here via magnet carriers 37 , which are inserted into recesses 38 of the central part 6 of the piston 3 and can also be made of a different material than the central part 6 itself - the actual attachment of the magnets 18 can also here again by gluing to the magnetic carriers 37 .

Abgesehen von der dargestellten Ausführung des Stell schlittens mit Rollen könnte auch eine andere entsprechend reibungsarme Führung für den Stellschlitten gewählt werden; auch könnten die Magnete zur Herstellung der Koppelung zwischen Kolben 3 und Stellschlitten 15 nur an einem der beiden Bau teile angebracht werden, soweit der andere Bauteil zumindest bereichsweise magnetisch ansprechend ausgeführt würde.Apart from the illustrated embodiment of the adjusting slide with rollers, another low-friction guide for the adjusting slide could also be selected; also the magnets for producing the coupling between the piston 3 and the adjusting slide 15 could only be attached to one of the two construction parts, insofar as the other component would be magnetically responsive at least in some areas.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die be schriebene Wegmeßeinrichtung nicht nur - wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt - für Pneumatikzylinder bzw. druckmittelbetätig bare Arbeitszylinder verwendbar ist, sondern allgemein zur Weg messung an einem in einem Gehäuse bewegbaren Bauelement, wobei aber im Hinblick auf die obigen Ausführungen nur die Bezeichnun gen "Zylinder" und "Kolben" durch die allgemeineren Ausdrücke "Gehäuse" und "Bauelement" zu ersetzen sind.Finally, it should also be pointed out that the described displacement measuring device can be used not only - as shown in FIGS . 1 and 2 - for pneumatic cylinders or pressure-actuated working cylinders, but generally for displacement measurement on a component movable in a housing, but in In view of the above, only the designations "cylinder" and "piston" are to be replaced by the more general terms "housing" and "component".

Claims

1. Position measuring device for a movable element in a housing, in particular for the working piston of a pneumatic cylinder, which is axially movable in a cylinder controlled by pressure medium, which is a transmission element moved with the component, a fixed with the housing in the direction of movement of the component Measuring element and an evaluation unit, characterized in that the transmission element ( 12 ) is formed by a non-contact magnetically coupled to the component ( 3 ) adjusting slide ( 15 ), the housing ( 1 ) at least along the path of the adjusting slide ( 15 ) consists of a non-magnetic material, and that the measuring element ( 13 ) has a resistance body ( 25 ) which is arranged on the outside of the housing ( 1 ) along the path of the adjusting slide ( 15 ) and which has a sliding contact ( 26 ) on the adjusting slide ( 15 ) interacts.

2. Device according to claim 1, characterized in that the adjusting slide ( 15 ) with rollers ( 16 ) in an outside on the Ge housing ( 1 ) arranged guide track ( 17 ) is guided.

3. Device according to claim 2, characterized in that in the region of the rollers ( 16 ) individual magnets ( 18 ) on the adjusting slide ( 15 ) and / or on the component ( 3 ) are attached.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the guide track ( 17 ) is designed as a closed slot profile ( 20 ) for the magnetic coupling except for one on the housing ( 1 ) facing side arranged longitudinal slot ( 19 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the resistance body ( 25 ) is band-shaped and on the housing ( 1 ) facing away from the inside ( 23 ) of the box section ( 20 ) is arranged.

6. Device according to claim 4 and 5, characterized in that the box profile ( 20 ) at both ends ( 21 , 22 ) is dust-tightly closed.

7. Device according to claim 6, characterized in that the longitudinal slot of the box profile with a non-mag table cover, e.g. a plastic film, dustproof is covered.